Linux是世界上最为流行的开源操作系统之一，其优秀的安全性、灵活性、可扩展性以及性能的表现，得到了全球各大企事业单位以及个人用户的广泛认可。然而，在Linux操作系统中，内核是其最为核心的组成部分，承担着操作系统的各种关键功能，任何对Linux的深入了解都离不开对内核的深刻认知。
本文将着重介绍Linux内核环境的探索和了解，涵盖系统架构和运行原理等方面的内容，帮助读者进一步加深对Linux系统的理解。
一、Linux操作系统的架构模式
Linux操作系统的整体架构是分层次的，其中更低层就是内核层，它负责管理计算机的基础硬件资源，例如处理器、内存、硬盘、网络设备等等。内核层是Linux运行的基础，在操作系统启动时就会被加载到内存中，并一直保持着运行状态。
在内核层的上方是GNU工具层，它包含大量的工具和应用程序，为Linux系统提供了丰富的功能，例如Shell、Grep、awk、sed等等。这些工具都是开源的，并且在Linux系统中得到了广泛应用。
在GNU工具层之上是用户层，用户层是Linux的最上层，它应该是Linux用户接触最多的地方，用户层由大量的应用程序组成，例如图形界面应用程序、文本编辑器、游戏等等。
二、Linux内核的组成
Linux内核是一个模块化的系统，可以将内核模块插入或移除以启用或禁用特定功能。内核由许多子系统组成，每个子系统都起着至关重要的作用。下面我们来逐一了解这些子系统：
1. 进程管理子系统
进程管理子系统是Linux内核的一部分，它负责管理计算机中运行的所有进程。所谓进程是指运行在计算机上的程序，进程管理器的工作就是监控这些进程的运行状态，并协调它们之间的交互。
进程管理子系统还亲自负责内存管理、PCI总线管理等一系列工作，确保各个进程都可以正常运转。在Linux内核中，进程管理子系统的实现是非常高效的。
2. 文件系统子系统
文件系统子系统负责管理Linux操作系统的所有文件。在Linux中，所有的设备都是文件，由文件系统进行管理。文件系统子系统将文件存储在磁盘上，并提供读写操作供用户进行访问。当然，文件系统并不仅仅是管理文件，它还有许多不同的类型，其中较为重要的有ext2, ext3, ext4, XFS等等。
3. 网络子系统
网络子系统是在Linux内核中负责管理计算机网络的组件。Linux内核中的网络子系统是非常庞大的，涵盖了大量各种各样的协议。
网络子系统的功能广泛，它负责实现网络协议、管理网络接口、进行数据传输、流量控制等等，非常重要。
4. 设备驱动子系统
设备驱动子系统负责管理计算机中的硬件设备，它充当着操作系统与硬件之间的桥梁。设备驱动子系统中的驱动程序负责将硬件访问接口翻译为统一的操作系统接口，这样，操作系统就可以在驱动程序的帮助下操作硬件设备。
5. 内存管理子系统
内存管理子系统是Linux中的重要组成部分，它负责管理系统中的所有内存资源，包括物理内存、虚拟内存等。内存管理子系统是Linux中的一个核心组件，正是由于它的存在，Linux系统才能快速地进行内存资源分配、回收等操作。
三、Linux内核的运行原理
在Linux内核中，概念和机制是紧密相关的。下面我们来逐一了解这些核心机制：
1. 进程切换
Linux内核中，多进程是其中一个非常重要的概念。在Linux系统中，任何一个进程都是由内核管理的，Linux内核允许多个进程同时运行。在任何一个时刻内，都只能有一个进程占据处理器，而其他进程必须等待。
当进程被阻塞时，操作系统就会将其切换到等待队列内。当其他进程需要使用处理器时，它们就会从队列中获取到处理器，并开始运行。因此，Linux内核的进程切换，是通过让处理器运行等待进程来实现的。
2. 消息通信机制
Linux内核通过消息通信机制来提供进程之间的通信。在进程之间进行通信时，进程可以向另一个进程发送消息，接收进程可以读取该消息并采取相应行动。
在Linux内核中，消息通信机制常常被用于进程之间的同步，其底层实现使用了信号量和管道等类似机制来实现。这些机制使得多进程环境下的数据通信和进程之间的同步变得非常容易。
3. 调度机制
调度机制是Linux内核中为了平衡进程、CPU和内存，而开发出的一种机制。Linux调度机制通常与进程切换机制相配合，用来确保处理器尽可能地高效运行。操作系统会使进程在不同的时间片内执行，以确保不同进程之间没有长时间的停滞，以及进行公平而合理的进程调度。此外，Linux内核还使用了多种调度算法，例如Round-Robin，Priority-Based等等，以使得系统能够更加智能地分配任务和资源。
四、
通过对Linux内核环境的深入探索，我们不仅可以全面了解到Linux系统的结构和架构，还能够更好地掌握操作系统的运作原理。掌握Linux内核环境，将使我们更好的理解和利用Linux系统，这对Linux程序员和开发者来说将是非常有益和重要的。我们相信，在Linux这个世界中，很多从事技术领域的人们都能够从中获得不少启示和帮助，放眼未来，Linux在全球产生的影响只会越来越大。
相关问题拓展阅读：
linux下内核开发用什么开发环境比较好？还是直接用文本&gcc之类？
vim + gcc 足矣。。vim并不比 Si 慢多少。当然和灶开始肯定是很痛备棚激苦的。。熟悉过后 SI 是没仿袜办法比得
首先linux的前景是非常不错的。我算是困握个实习生，一个月4000多一点。。。我内核开发的空间和前景要更好，不旁陵过很复运尺戚杂，也很枯燥。
eclipse也行
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温室效应最终会导致什么结果？
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linux 虚拟文件系统的作用以及工作原理~~？？？？
虚拟文件系统（VFS）其实也可以翻译成虚拟文件系统转换（virtual filesystem switch）。 可以看出来它的作用就是提供一个通用的接口来处理与Unix标准文件系统相关的所有系统调用。 它所隐含的思想就是把表示很多不同种类的文件系统的共同信息放入内核；其中有一个字段火函数来支持linux所支持的所有实际文件系统所提供的任何操作。 对所调用的每个读写或者其他函数，内核都能把它们替换成支持本地linux文件系统，NTFS文件系统或者文件所在的任何文件系统的实际函数。 至于vfs的工作原理 就不是三言两语可以解释清楚的了、里面包含了很多知识包括文件系统、超级块、i节点等等知识。 其实主要就是用户安装了不同的文件系统，每个特定文件系统上都实现了包括Open（） close（），read（），write（）等等的操作，在安装的时候，每个特定的文件系统会在虚拟文件系统上注册，当用户需要对特定文件系统进行操作时 只需调用统一的系统调用，虚拟文件系统能够调用对应文件系统上的函数来对文件进行操作。 详细的工作原理和实现 楼主需要花时间去学一学操作系统知识可一参考《深入理解Linux内核》《深入linux内核架构》等书
linux的内核运行原理是怎么样的呢？如何从开机，到加载内核镜像到内存？
当PC启动时,Intel系列的CPU首先进入的是实模式,并开始执行位于地址0xFFFF0处的代码,也就是ROM-BIOS起始位置的代码。 BIOS先进行一系列的系统自检,然后初始化位于地址0的中断向量表。 最后BIOS将启动盘的第一个扇区装入到0x7C00,并开始执行此处的代码。 这就是对内核初始化过程的一个最简单的描述。 最初,linux核心的最开始部分是用8086汇编语言编写的。 当开始运行时,核心将自己装入到绝对地址0x,再将其后的2k字节装入到地址0x处,最后将核心的其余部分装入到0x。 当系统装入时,会显示Loading...信息。 装入完成后,控制转向另一个实模式下的汇编语言代码boot/Setup.S。 Setup部分首先设置一些系统的硬件设备,然后将核心从0x处移至0x1000处。 这时系统转入保护模式,开始执行位于0x1000处的代码。 接下来是内核的解压缩。 0x1000处的代码来自于文件Boot/head.S,它用来初始化寄存器和调用decompress_kernel( )程序。 decompress_kernel( )程序由Boot/inflate.c,Boot/unzip.c和Boot../misc.c组成。 解压缩后的数据被装入到了0x处,这也是linux不能在内存小于2M的环境下运行的主要原因。 解压后的代码在0x处开始执行,紧接着所有的32位的设置都将完成： IDT、GDT和LDT将被装入,处理器初始化完毕,设置好内存页面,最终调用start_kernel过程。 这大概是整个内核中最为复杂的部分。 [系统开始运行]linux kernel 最早的C代码从汇编标记startup_32开始执行startup_32:start_kernellock_kerneltrap_initinit_IRQsched_initsoftirq_inittime_initconsole_init#ifdef CONFIG_Modulesinit_modules#endifkmem_cache_initsticalibrate_delaymem_initkmem_cache_sizes_initpgtable_cache_initfork_initproc_caches_initvfs_caches_initbuffer_initpage_cache_initsignals_init#ifdef CONFIG_PROC_FSproc_root_init#endif#if defined(CONFIG_SYSVIPC)ipc_init#endifcheck_bugssmp_initrest_initkernel_threadunlock_kernelcpu_idle・startup_32 [arch/i386/kernel/head.S]・start_kernel [init/main.c]・lock_kernel [include/asm/smplock.h]・trap_init [arch/i386/kernel/traps.c]・init_IRQ [arch/i386/kernel/i8259.c]・sched_init [kernel/sched.c]・softirq_init [kernel/softirq.c]・time_init [arch/i386/kernel/time.c]・console_init [drivers/char/tty_io.c]・init_modules [kernel/module.c]・kmem_cache_init [mm/slab.c]・sti [include/asm/system.h]・calibrate_delay [init/main.c]・mem_init [arch/i386/mm/init.c]・kmem_cache_sizes_init [mm/slab.c]・pgtable_cache_init [arch/i386/mm/init.c]・fork_init [kernel/fork.c]・proc_caches_init・vfs_caches_init [fs/dcache.c]・buffer_init [fs/buffer.c]・page_cache_init [mm/filemap.c]・signals_init [kernel/signal.c]・proc_root_init [fs/proc/root.c]・ipc_init [ipc/util.c]・check_bugs [include/asm/bugs.h]・smp_init [init/main.c]・rest_init・kernel_thread [arch/i386/kernel/process.c]・unlock_kernel [include/asm/smplock.h]・cpu_idle [arch/i386/kernel/process.c]start_kernel( )程序用于初始化系统内核的各个部分,包括：*设置内存边界,调用paging_init( )初始化内存页面。 *初始化陷阱,中断通道和调度。 *对命令行进行语法分析。 *初始化设备驱动程序和磁盘缓冲区。 *校对延迟循环。 最后的functionrest_init 作了以下工作:・开辟内核线程init・调用unlock_kernel・建立内核运行的cpu_idle环, 如果没有调度,就一直死循环实际上start_kernel永远不能终止.它会无穷地循环执行cpu_idle.最后,系统核心转向move_to_user_mode( ),以便创建初始化进程（init）。 此后,进程0开始进入无限循环。 初始化进程开始执行/etc/init、/bin/init 或/sbin /init中的一个之后,系统内核就不再对程序进行直接控制了。 之后系统内核的作用主要是给进程提供系统调用,以及提供异步中断事件的处理。 多任务机制已经建立起来,并开始处理多个用户的登录和fork( )创建的进程。 [init]init是第一个进程,或者说内核线程initlock_kerneldo_basic_setupmtrr_initsysctl_initpci_initsock_initstart_context_threaddo_init_calls(*call())-> kswapd_initprepare_namespacefree_initmemunlock_kernelexecve[目录]--------------------------------------------------------------------------------启动步骤系统引导：涉及的文件./arch/$ARCH/boot/bootsect.s./arch/$ARCH/boot/.S这个程序是linux kernel的第一个程序,包括了linux自己的bootstrap程序,但是在说明这个程序前,必须先说明一般IBM PC开机时的动作(此处的开机是指打开PC的电源):一般PC在电源一开时,是由内存中地址FFFF:0000开始执行(这个地址一定在ROM BIOS中,ROM BIOS一般是在FEOOOh到FFFFFh中),而此处的内容则是一个jump指令,jump到另一个位於ROM BIOS中的位置,开始执行一系列的动作,包括了检查RAM,keyboard,显示器,软硬磁盘等等,这些动作是由系统测试代码(system test code)来执行的,随着制作BIOS厂商的不同而会有些许差异,但都是大同小异,读者可自行观察自家机器开机时,萤幕上所显示的检查讯息。 紧接着系统测试码之后,控制权会转移给ROM中的启动程序(ROM bootstrap routine),这个程序会将磁盘上的第零轨第零扇区读入内存中(这就是一般所谓的boot sector,如果你曾接触过电脑病毒,就大概听过它的大名),至於被读到内存的哪里呢? --绝对位置07C0:0000(即07C00h处),这是IBM系列PC的特性。 而位在linux开机磁盘的boot sector上的正是linux的bootsect程序,也就是说,bootsect是第一个被读入内存中并执行的程序。 现在,我们可以开始来看看到底bootsect做了什么。 第一步首先,bootsect将它自己从被ROM BIOS载入的绝对地址0x7C00处搬到0x处,然后利用一个jmpi(jump indirectly)的指令,跳到新位置的jmpi的下一行去执行,第二步接着,将其他segment registers包括DS,ES,SS都指向0x9000这个位置,与CS看齐。 另外将SP及DX指向一任意位移地址( offset ),这个地址等一下会用来存放磁盘参数表(disk para- meter table )第三步接着利用BIOS中断服务int 13h的第0号功能,重置磁盘控制器,使得刚才的设定发挥功能。 第四步完成重置磁盘控制器之后,bootsect就从磁盘上读入紧邻着bootsect的setup程序,也就是setup.S,此读入动作是利用BIOS中断服务int 13h的第2号功能。 setup的image将会读入至程序所指定的内存绝对地址0x处,也就是在内存中紧邻着bootsect 所在的位置。 待setup的image读入内存后,利用BIOS中断服务int 13h的第8号功能读取目前磁盘的参数。 第五步再来,就要读入真正linux的kernel了,也就是你可以在linux的根目录下看到的vmlinuz 。 在读入前,将会先呼叫BIOS中断服务int 10h 的第3号功能,读取游标位置,之后再呼叫BIOS 中断服务int 10h的第13h号功能,在萤幕上输出字串Loading,这个字串在boot linux时都会首先被看到,相信大家应该觉得很眼熟吧。 第六步接下来做的事是检查root device,之后就仿照一开始的方法,利用indirectjump 跳至刚刚已读入的setup部份第七步setup.S完成在实模式下版本检查,并将硬盘,鼠标,内存参数写入到 INITSEG中,并负责进入保护模式。 第八步操作系统的初始化。
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